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阻燃抗靜電聚乙烯塑料的研究

文檔作者：劉罡1 2 文檔來源： 1．煤炭科學研究總院重慶研究院 2．重慶科聚孚工程塑料有限責任公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年02月16日
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· 1 l6 ·
塑料．[業(yè)
CHINA PLASTICS INDUSTRY
第39卷S1
2011年4月
阻燃抗靜電聚乙烯塑料的研究
劉
(1．煤炭科學研究總院重慶研究院，重慶400037
口1．2
JE
2．重慶科聚孚工程塑料有限責任公司，重慶401332)
摘要：采用共混改性技術(shù)，將十溴聯(lián)苯醚、氧化銻、導電炭黑、納米碳酸鈣等按不同比例加入到聚乙烯樹脂中，
獲得了完全滿足煤礦井下用瓦斯抽放管要求的阻燃抗靜電PE塑料。考察了上述添加物及其添加量對聚乙烯阻燃、抗
靜電和機械性能的影響。結(jié)果表明，PE的阻燃抗靜電性受分散體系、阻燃劑、抗靜電劑等助劑的添加量及配比影響，
納米碳酸鈣的加入對PE的導電性能有改善，對阻燃性能無明顯影響； 十‘溴與氧化銻的質(zhì)量比以4／1為好，炭黑及
EVA的加入提高了PE塑料的阻燃性；添加納米碳酸鈣在保持良好的沖擊韌性的同時，能明 提高體系的托伸強度，
并且對抗靜電性能有促進作用。
關(guān)鍵詞：抗靜電；聚乙烯；炭黑；納米碳酸鈣；表面電阻；阻燃
中圖分類號：TQ325．1 2 文獻標識碼：A 文章編號：1005—5770(2011)S1一O116一O4
Study on Flame Retardant and Antistatic Properties of Polyethylene Plastic
LIU Gang’’
(1．Chongqing Branch of China Coal Research Institute，Chongqing 400037，China
2．Chongqing Copolyforoe Engineering Plastics Co．，Ltd．，Chongqing 400037，China)
Abstract：Modified by blending technology，PE plastic with flame retardancy and antistatic property was
obtained which fully meet the requirements of coal mi‘n‘e gas drainage pipes． It was obtained by blending deca—
bromodiphenyl ether，antimony oxide，conductive carbon black，nano calcium carbonate of different propor—
tions with polyethylene resin． The effect of the adding content on flame retardancy．a(chǎn)ntistatic and mechanical
property of PE was studied． The results showed that the flame retardancy and antistatic property were affected
by the ratio of dispersion system，flame retardants， antistatic agents and other additives． The addition of
nano calcium carbonate improved conductivity of PE and had no significant effect on the flame retardancy；
The best quality ratio of decabromodiphenyl ether and antimony oxide was 4：1． The addition of carbon black
and EVA can improve the flame retardancy of PE plastic． Adding nano calcium carbonate can maintain good
impact toughness， significantly improve the tensile strength， and promote antistatic property of blends．
Keywords：Antistatic； Polyethylene； Carbon Black； Surface Resistance； Nano Calcium Carbonate；
F1ame Retardant
聚乙烯(PE)具有良好的化學穩(wěn)定性、耐穿刺
性和沖擊性能，特別是耐低溫性能好，脆化溫度一般
可達一50 o【=以下。PE的加工性能很好，加工溫度范
圍寬。但PE塑料也有拉伸強度較低、抗蠕變性不
好、耐環(huán)境應力開裂性不好、耐熱性不高及易燃等缺
點，故將PE塑料應用于礦井時，尚需對其進行必要
的改性處理，使其在保持優(yōu)良物理機械性能的同時，
還應具有阻燃和抗靜電性能。聚乙烯塑料氧指數(shù)只有
17左右，表明聚乙烯極易燃燒¨ 。要獲得符合要求
的阻燃塑料，就需要對塑料進行阻燃改性處理。塑料
的阻燃改性一般有向塑料中添加阻燃劑、向塑料中共
混入具有高阻燃性的樹脂以及在塑料制品表面層化阻
燃材料等幾種方法 。另一方面，為了改進塑料
的抗靜電性，通常采用添加抗靜電劑的辦法即可達到
要求，但若要賦予其導電性，則需要加入炭黑類材料
或金屬類材料等導電物質(zhì)。本研究采用抗靜電劑與炭
黑共同添加的方法來改進PE的抗靜電性，同時添加
阻燃劑來改進其阻燃性能。
1 實驗部分
1．1 主要原料
作者簡介：劉罡，男，1970年生，高級工程師，主要從事改性工程塑料及聚乙烯瓦斯抽放管的研究。
liugang5888@ sina．con
第39卷s1 劉罡，等：阻燃抗靜電聚乙烯塑料的研究
PE樹脂：PE5000S、PE112A，北京燕山石化公
司產(chǎn)品；EVA樹脂：法國阿托菲納公司： 元乙丙
膠：美國杜邦公司；接枝聚乙烯：自制；十溴聯(lián)苯醚
(102E)：美國大湖公司；氧化銻：湖南華昌銻業(yè)公
司；導電炭黑：四川自貢炭黑研究所；抗靜電劑：瑞
士汽巴公司；聚乙烯蠟：成都祥和專用蠟廠；抗氧
劑：瑞士汽巴公司；偶聯(lián)劑：南京曙光化工廠；納米
碳酸鈣：成都都江堰鈣品公司。
1．2 儀器與設備
高速混合機：SHR‘200型，張家港億利機械有限
公司；雙螺桿擠出機：TE一65型，江蘇科亞化工裝備
有限公司；注塑機：Sz。90型，廣東東華機械有限公
司；熔體流動速率儀：t~PXRZ-400C型，吉林大學科
教儀器廠；電子拉力試驗機：XLD一20型，承德市金
建檢測儀器有限公司；懸臂梁沖擊試驗機：XJU一5．5
型，承德市金建檢測儀器有限公司；熱變形、維卡軟
化點溫度測定儀：XRW。300型，承德市金建檢測儀
器有限公司；表面絕緣電阻儀：ZC-46型，上海第六
電表廠；酒精噴燈試驗裝置：按標準自制。
1．3 制備
首先偶聯(lián)活化處理填料，將高速混合機加熱至
100～120℃ ，將偶聯(lián)劑及聚乙烯蠟與導電炭黑、阻
燃劑、納米碳酸鈣等加入混合機中高速攪拌15～20
rain，出料冷卻之后將其密封包裝，以免吸濕。然后
將聚乙烯樹脂、EVA、三元乙丙膠、接枝聚乙烯等先
投入混合機中，再緩慢加入抗靜電劑，最后將填料及
抗氧劑等加入混合機中混勻后出料。混合好后的物料
應立即使用，經(jīng)過雙螺桿擠出機擠出造粒，得到改性
聚乙烯粒料。粒料烘干后經(jīng)注塑機成型為標準測試
樣條。
1．4 性能測試
熔體質(zhì)量流動速率按GB／T 3682-2000測試；拉
伸強度和斷裂伸長率按GB／T 1040-2006測試；彎曲
強度按GB／T 9341—200O測試；懸臂梁沖擊強度按
GB／T 1843-1996測試；維卡軟化溫度按GB／T
1634-2004測試； 燃燒性能及抗靜電性能按
MT1 13—1995測試。
2 結(jié)果與討論
2．1 炭黑對PE絕緣電阻的影響
在以PE為主體、添加一定的分散助劑的基本材
料配方中，變換炭黑的添加量，選擇其質(zhì)量分數(shù)分別
為3％ 、5％ 、7％ 、9％ 、11％ 、13％ 、15％ 、20％ ，
以期找到達到要求的抗靜電性能時最適宜的炭黑添加
量。結(jié)果如圖1所示。從圖1中可以看到，炭黑質(zhì)量
分數(shù)在1 1％ 時， 曲線出現(xiàn)拐點，材料的表面電阻
(R)產(chǎn)生“階躍” 現(xiàn)象，表明在此時復合材料內(nèi)部
導電網(wǎng)絡已經(jīng)形成，塑料的表面電阻急劇下降(體
積電阻也如此)。摻人PE中的炭黑在11％ 時達到臨
界點，PE聚合物發(fā)生了“絕緣體一電導體”滲流轉(zhuǎn)
變，相鄰粒子間的范德華力或其他結(jié)合力的強度就足
以克服粒子問的排斥作用而使它們相互連接起來，從
而形成網(wǎng)鏈，為載流子的傳遞提供了通道。隨著炭黑
含量的繼續(xù)增加，材料的絕緣電阻雖然繼續(xù)下降，但
已趨于平緩。
炭黑質(zhì)量分數(shù)
圖1 炭黑含量對PE表面電阻的影響
2．2 分散體系對PE絕緣電阻的影響
由于導電炭黑的高結(jié)構(gòu)性，當它添加入聚合物中
時，炭黑粒子間極易團聚，很難分散開來，從而影響
聚合物基體中導電網(wǎng)絡的形成。因而如何將炭黑均勻
分散于PE塑料中，這將直接影響PE塑料的絕緣電
阻。本文先將炭黑用偶聯(lián)劑和聚乙烯蠟活化處理，與
PE共混時再加入一定比例的EVA作為分散劑，得到
如圖2的結(jié)果。從圖2中可以看出，曲線中絕緣電阻
出現(xiàn)“階躍” 的拐點提前至炭黑含量在9％ 左右。這
說明EVA的加入促進了導電炭黑的分散，在炭黑含
量更少的情況下，獲得了預期的導電效果。
炭黑質(zhì)量分數(shù)
圖2 良好分散體系對炭黑填充PE表面電阻的影響
2．3 阻燃劑及碳酸鈣等無機填料對PE絕緣電阻的
影響
在PE、炭黑復合物中加入一定的阻燃劑十溴、
氧化銻及納米碳酸鈣填料，經(jīng)測試PE復合物的絕緣
電阻，得到如圖3的結(jié)果。從圖3中看到，絕緣電阻
的“階躍”點提前至炭黑質(zhì)量分數(shù)為8％ 左右。這可
能是由于其他無機物的加入在聚合物中起到了摻雜的
效果，使PE的絕緣電阻有所降低?；蛘呤欠蹱顭o機
物使炭黑在PE中得到了更好的分散。
炭黑質(zhì)量分數(shù)
圖3 無機填料對PE復合物表面電阻的影響
2．4 阻燃劑用量對PE燃燒性能的影響
對于聚乙烯的阻燃，一般采用鹵素阻燃劑與氧化
銻并用的方法。本研究采用十溴聯(lián)苯醚與三氧化二銻
并用的方法，并對配用的比例進行了實驗研究。其阻
燃機理大致如下：十溴聯(lián)苯醚受熱分解生成的自由基
抑制劑HBr能與高活性自由基如HO·、O·、H·
等反應，生成活性較低的溴自由基，致使燃燒減緩或
終止。同時，分解產(chǎn)生的密度較大的HBr氣體，還
能稀釋空氣中的氧氣并覆蓋于材料表面，隔絕可燃性
氣體與空氣的接觸，致使材料的燃燒速度降低或窒
息。當十溴聯(lián)苯醚與三氧化二銻并用時，在高溫下三
氧化二銻能與溴化氫反應生成 溴化銻或溴氧化銻，
而溴氧化銻又可在很寬的溫度范圍內(nèi)繼續(xù)分解為 溴
化銻。三溴化銻蒸汽能較長時間停留在燃燒區(qū)，具有
稀釋和覆蓋作用；三溴化銻微粒的表面效應可降低火
焰能量；三溴化銻能促進固相及液相的成炭反應，而
相對減緩生成可燃氣體的聚合物的熱分解和氧化分
解，且生成的炭層可阻止可燃氣體逸人火焰區(qū)，并保
護下層材料免遭破壞；三溴化銻在燃燒區(qū)也可與自由
基反應，改變氣相中的反應模式，減少反應放熱量而
使火焰猝滅。
表1 阻燃劑對PE燃燒性能的影響
表1給出了實驗得到的幾組阻燃劑對PE燃燒性
能的影響。其基本配方為PE樹脂加人適量抗氧劑、
聚乙烯蠟分散劑等。從表1中看出，當阻燃劑用量在
30％時，PE復合物的阻燃性能達到MT113的要求
(有焰燃燒時間6條試樣之和≤18 S，無焰燃燒時間6
條試樣之和≤120 S)。但燃燒時有熔滴現(xiàn)象，燃燒熔
滴易引燃其它易燃物。從表中還可看出，在PE阻燃
配方中，十溴聯(lián)苯醚／三氧化二銻以質(zhì)量比24／6
為好。
2．5 炭黑對PE塑料阻燃性能的影響
當在阻燃PE塑料中添加入一定量的導電炭黑
后，經(jīng)試驗測定，其阻燃性能有了一定的提高。也就
是說，在基本配方一致的情況下炭黑能提高PE塑料
的阻燃性。這可能是因為炭黑的加入使聚合物在燃燒
時與氧氣的接觸被部分隔斷；或是因為導電網(wǎng)絡的形
成，使聚合物燃燒時產(chǎn)生的熱量能迅速傳遞，降低了
熱量的積聚。表2給出了炭黑對PE塑料阻燃性能的
影響試驗結(jié)果。
表2 炭黑對PE阻燃性能的影響
2．6 EVA對PE阻燃性能的影響
在試驗中， 當往PE中加入一定量的EVA樹脂
后，發(fā)現(xiàn)PE的阻燃性能也有所提高。其結(jié)果如表3
所示。這有兩方面的原因：一是因為EVA在燃燒時
比PE更易形成炭層，從而可阻止可燃性氣體逸入火
焰區(qū)，并保護下層材料免遭破壞；二是因為EVA促
進了阻燃劑等無機物在PE中的分散，使阻燃劑在PE
中得到均勻分布，從而其阻燃性能更加均勻穩(wěn)定。
表3 EVA對PE阻燃性能的影響
燃燒性能 未加EVA 10％EVA 15％EVA
有焰燃燒時間／s(6條試樣之和) 15
無焰燃燒時間／s(6條試樣之和) 68
2．7 三元乙丙膠及納米碳酸鈣對抗靜電阻燃PE塑
料性能的影響
如上所述，PE中要獲得要求的抗靜電及阻燃性
能需加入較多的阻燃劑及導電炭黑等，這些添加物的
加入大大影響了PE塑料的機械性能，特別是大量炭
黑的加入，更是大大降低了PE塑料的沖擊強度及拉
斷伸長率等。試驗結(jié)果見表4。為了在獲得抗靜電及
阻燃性能的同時能使PE塑料保持較好的物理機械性
能，就需要對PE塑料進行增韌。本研究選擇三元乙
第39卷Sl 劉罡，等：阻燃抗靜電聚乙烯塑料的研究
丙膠作為PE的增韌劑。雖然三元乙丙膠與PE的相
容性較好，但其大分子呈現(xiàn)的極性還是有較大差異，
這就導致在二者共混時其界面仍然有一定的不相容
性。為了進一步改善共混體系的相容性，向體系中添
加了作為相容劑的馬來酸酐接枝PE。為了提高體系
的拉伸強度，在體系中加入了一定量的納米碳酸鈣。
納米碳酸鈣加入共混體系后，在拉伸強度得到提高的
同時，其伸長率及沖擊強度也得到良好的保持。
表4 納米碳酸鈣對阻燃抗靜電PE塑料性能的影響
從表4中可以看出，三元乙丙膠的加入對PE塑
料的阻燃性能及抗靜電性能幾乎沒有影響。納米碳酸
鈣的加入對阻燃性能的影響較小，而對抗靜電性能有
明顯影響，這在前面已經(jīng)述及。
3 結(jié)論
1)通過采用共混改性的方式、經(jīng)雙螺桿擠出造
粒的方法，獲得了阻燃抗靜電PE塑料，其拉伸強度
為13．8 MPa、伸長率為360％ 、懸臂梁缺口沖擊強度
為34 kJ／1TI 、表面電阻為7．8 X 10 Q、有焰燃燒時
間6條試樣之和為3 S、無焰燃燒時問6條試樣之和0
S。該材料完全滿足煤礦井下用塑料瓦斯抽放管的要
求，且該材料也可用于礦井下用其它塑料制品。
2)PE的導電性直接受炭黑在PE中的添加量的
影響，但存在“階躍”現(xiàn)象。良好的分散體系、阻
燃劑及納米碳酸鈣的加入對PE的導電性能有所
改善。
3)PE的阻燃性能通過添加復配阻燃劑獲得，十
溴與氧化銻的質(zhì)量比以4／1為好，炭黑及EVA的加
入提高了PE塑料的阻燃性。
4)以接枝PE作為相容劑，三元乙丙膠對阻燃
抗靜電PE塑料具有顯著的增韌作用，同時發(fā)現(xiàn)三元
乙丙膠對體系的阻燃抗靜電性能無明顯影響。
5)添加納米碳酸鈣在保持良好的沖擊韌性的同
時，能明顯提高體系的拉伸強度，并且納米碳酸鈣對
抗靜電性能有促進作用，而對阻燃性能無明顯影響。
參考文獻
[1]王永強．阻燃材料及應用技術(shù)[M]．北京：化學工業(yè)出
版社，2003．
[2]歐育湘．阻燃劑——制造、性能及應用[M]．北京：兵
器工業(yè)出版社，1997．
[3]歐育湘．阻燃高分子材料[M]．北京：國防工業(yè)出版
社．2001．

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